Modulo lunare Apollo: differenze tra le versioni

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}}

Il '''modulo lunare Apollo'''<ref>{{cita web|url=http://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_00a_Cover.htm|titolo=Apollo by the numbers NASA|lingua=en|accesso=6 marzo 2011}}</ref> o '''LEM''' (Lunar Excursion Module)<ref>La designazione del modulo lunare Apollo fu semplificata da ''Lunar Excursion Module'' (LEM) ad ''Apollo Lunar Module'' (LM), ma nel corso del Programma fu comunque pronunciato "Lem".<br />{{cita libro |lingua=en |titolo=Apollo: The Lost and Forgotten Missions |url=https://archive.org/details/apollolostforgot0000shay |nome=David J. |cognome=Shayler |editore=Springer Science & Business Media |anno=2002 |isbn=9781852335755 |p=[https://archive.org/details/apollolostforgot0000shay/page/3 3]}}</ref> o '''LM''' (Lunar Module)<ref>L'acronimo LM sostituisce il LEM nel [[1968]] poiché i dirigenti NASA ritenevano che il termine ''Excursion'' (Escursione) mal rappresentasse la portata del progetto lunare.</ref> è il ''[[lander]]'' della [[navicella spaziale Apollo]] utilizzato nell'ambito del [[programma Apollo]] della [[NASA]] per trasportare gli [[astronauta|astronauti]] sulla [[superficie della Luna]]. Il suo compito era quello di far atterrare sulla [[Luna]] due dei tre membri dell'equipaggio della navicella con attrezzature scientifiche, permettendo loro di restarvi per oltre 75 [[ora|ore]] prima di [[Decollo|decollare]] e ricongiungersi con il [[modulo di comando e di servizio]] (CSM) rimasto in orbita lunare e incaricato di riportare l'equipaggio sulla [[Terra]].

Quando nel [[1961]] il presidente [[John Fitzgerald Kennedy]] fissò come obiettivo dell'agenzia spaziale statunitense quello di inviare uomini sulla Luna prima della fine del decennio, il programma spaziale era ancora piuttosto indietro. Dopo avere studiato diverse configurazioni di veicoli spaziali, la [[NASA]] scelse, nel [[1962]], di ricorrere al LEM nonostante le perplessità che suscitava in quell'epoca. Solo questa soluzione, infatti, permetteva di rispettare la scadenza fissata, grazie alla riduzione della massa richiesta e limitando così costi e rischi tecnici.

Il LEM era composto da due stadi: lo stadio di discesa, il cui ruolo principale è di fare atterrare verticalmente il modulo lunare grazie ad un motore a spinta variabile, e uno stadio di ascesa nel quale è situata la cabina pressurizzata dove risiedono gli astronauti. Alla fine dell'esplorazione lo stadio di discesa veniva abbandonato sulla Luna mentre lo stadio di ascesa, grazie ad un ulteriore proprio motore, decolla dalla superficie lunare per ricongiungersi al CSM in orbita lunare. Nonostante la complessità della missione e i limiti di massa molto rigorosi (15 [[tonnellata|tonnellate]]), il LEM è riuscito per sei volte ad atterrare sulla Luna mantenendo in vita i due uomini in un ambiente particolarmente ostile.

Il progetto e la costruzione del LEM sono stati realizzati sotto la direzione della società aerospaziale [[Grumman]] tra il 1962 e 1969. In tutto sono stati costruiti 15 moduli lunari; dei 10 che hanno volato nello [[spazio (astronomia)|spazio]], 6 hanno raggiunto il suolo lunare nel corso di un periodo compreso tra il [[1969]] e il [[1972]]. Ad oggi il LEM resta ancora l'unico veicolo ad aver portato esseri umani sul suolo lunare.

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[[File:Taille-de-l-alunisseur-selo-IT.png|thumb|left|Comparazione delle dimensioni dei veicoli lunari in relazione al metodo di discesa (la taglia della soluzione LOR è sottostimata)]]

Quando il 25 maggio [[1961]] l'allora presidente degli [[Stati Uniti d'America]] [[John Kennedy]] annunciò al [[Congresso degli Stati Uniti d'America|Congresso]]: "Credo che questa nazione debba impegnarsi per raggiungere l'obiettivo di far scendere un uomo sulla Luna e farlo tornare sano e salvo sulla Terra prima della fine di questo decennio"<ref>{{cita web|url=https://www.archive.org/details/jfks19610525|titolo=Discorso pronunciato dal presidente statunitense John Fitzgerald Kennedy il 25 maggio 1961|lingua=en}}</ref><ref>Gli esperti della NASA avevano indicato che l'atterraggio sulla Luna poteva essere realizzato già nel 1967, ma l'amministratore dell'agenzia, [[James E. Webb]], ha preferito aggiungere due anni per tenere conto di potenziali contrattempi (Fonte: NASA - Monografia Progetto Apollo: un'analisi retrospettiva).</ref>, la valutazione dei tre scenari per raggiungere la Luna era ancora ad un livello poco avanzato. La NASA non aveva ancora realizzato un solo vero volo spaziale (il primo volo orbitale americano sarà quello del [[Mercury-Atlas 4]] avvenuto il 13 settembre [[1961]]) e non era in grado di stabilire le difficoltà tecniche che poteva comportare un ''[[rendezvous]]'' tra due navi spaziali. L'agenzia, inoltre, non sapeva neanche se gli astronauti avrebbero potuto sopportare lunghi soggiorni nello spazio e i suoi [[Vettore (astronautica)|lanciatori]] avevano subito una serie di fallimenti. Tutto ciò imponeva una certa prudenza nelle scelte tecniche. La NASA era consapevole che la scelta dello scenario avrebbe condizionato le caratteristiche dei [[Veicolo spaziale|veicoli spaziali]] e dei lanciatori da sviluppare e che ogni ritardo nella decisione avrebbe pesato sulle possibilità di rispettare la scadenza. Nonostante ciò, i responsabili della NASA impiegarono più di un anno, tra studi e dibattiti, prima di decidere quale dei tre metodi adottare.

L'appuntamento in orbita lunare era inizialmente, nonostante le argomentazioni dettagliate avanzate dal suo difensore più ardente [[John Houbolt]] del [[Langley Research Center]], la soluzione che aveva minori sostenitori. Agli occhi di molti responsabili della NASA questo scenario appariva istintivamente troppo rischioso. Se l'appuntamento tra modulo lunare e modulo di comando fosse fallito, gli astronauti a bordo del LEM non avrebbero avuto nessuna possibilità di ritornare sulla Terra e sarebbero stati condannati a rimanere indefinitamente in orbita intorno alla Luna. I vantaggi di questo scenario, in particolare il guadagno sulla massa complessiva (45 tonnellate contro le 70 per un volo diretto), venivano ignorati senza che si sviluppassero studi approfonditi. Houbolt arrivò addirittura ad inviare due lettere a [[Robert Seaman]], numero due della NASA, pregandolo di fare in modo che il LOR fosse preso in considerazione e non fosse respinto solo sulla base di idee prive di valore scientifico.

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Il 7 novembre [[1962]] la [[Grumman|Grumman Aircraft Engineering Corporation]] si aggiudicò la gara di appalto. Questa importante azienda [[aeronautica]] statunitense<ref>Fino ad allora aveva già sviluppato, tra gli altri, i [[Aereo da caccia|caccia]] [[Aereo imbarcato|imbarcati]] ''[[Grumman F6F Hellcat|F6F Hellcat]]'' l'''[[Grumman F-14 Tomcat|F-14 Tomcat]]''.</ref> aveva già partecipato senza successo a molti bandi della NASA. Grumman volle inserirsi nel mercato aerospaziale tanto da mobilitare un notevole gruppo di [[ingegnere|ingegneri]] per lavorare al progetto del LEM prima ancora che la gara d'appalto avesse inizio. L'interlocutore della Grumman all'interno della NASA fu il centro per i voli con equipaggio dell'agenzia (Manned Spacecraft Center) che venne spostato al centro spaziale di [[Houston]] (oggi chiamato [[Lyndon B. Johnson Space Center]]).

Dopo una serie di negoziati, con l'obbiettivoobiettivo di definire la distribuzione dei compiti e delle procedure, la retribuzione della Grumman fu fissata a 385 milioni di [[dollaro|dollari]] includendo un profitto di 25 milioni per Grumann. Questo benché i contraenti avessero, all'epoca, soltanto una vaga idea della macchina da costruire. Il progetto partì così con il ritardo di un anno rispetto agli altri componenti del programma Apollo, in particolare del CSM. All'inizio del 1963, gli ingegneri della Grumman, basati a [[Bethpage]], [[Long Island]] ([[New York (stato)|Stato di New York]]), iniziarono a lavorare sull'architettura generale del modulo lunare. Nel corso dei primi confronti con la NASA, si delineò un veicolo spaziale di tre metri di [[diametro]] e di 4,5 metri di altezza, del peso di circa 11 [[tonnellata|tonnellate]], composto da una parte abitabile che per dimensioni e forma ricordava la cabina di un [[elicottero]]<ref name="Grumman p.212">{{cita|Grumman : Lunar Module News Reference|p. 212|GRU}}.</ref>.

=== Lo stadio di ascesa viene profondamente rivisto ===

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Il primo [[sistema embedded]] moderno fu così l'Apollo Guidance Computer, sviluppato da [[Charles Stark Draper]] al MIT ''Instrumentation Laboratory''. Per ogni volo lunare ne veniva utilizzato uno nell'orbiter CSM (modulo di comando e servizio) ed un altro identico nel LEM, entrambi incaricati di gestire il sistema di guida inerziale.

Al momento della concezione, l'Apollo Guidance Computer era considerato uno dei più rischiosi sistemi facenti parte dell'intero programma Apollo. L'utilizzo deldei nuovi circuiti integrati monolitici, per ridurne le dimensioni e il peso, aumentava considerevolmente il rischio di malfunzionamento.

=== Parola d'ordine: affidabilità ===

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=== Lo stadio di discesa ===

Il corpo dello stadio di discesa aveva una massa compresa tra i 2.000 e i 2.700 Kg (a seconda delle versioni) a cui vanno aggiunti tra i 7.900 - 8.350 &nbsp;kg di propellente e comburente ripartito indicativamente in 5.000 &nbsp;kg di perossido[[tetrossido d'azotodi diazoto]] per il comburente ossidante e 3.000 &nbsp;kg di idrazina 50 come [[propellente ipergolico]]. Il modulo, che aveva una massa totale quindi compresa tra 10.000 - 11.000 &nbsp;kg aveva la base del telaio a forma ottagonale di 4,12 metri di [[diametro]] e di 1,65 metri di altezza. La struttura è costituita da 2 paia di pannelli paralleli riuniti a forma di croce che delimitano cinque compartimenti quadrati, e quattro compartimenti triangolari. Il corpo piano è avvolto in molti strati di pellicole di materiali per l'isolamento termico. Questa protezione è maggiore nei pressi dell'ugello di scarico del motore di discesa. La sottile pellicola color oro, comunemente ed erroneamente chiamata "stagnola" perché visivamente rassomigliante, che ricopre il corpo dello stadio di discesa e le 4 gambe è [[kapton]], uno dei tanti neomateriali creati per l'occasione dalla [[DuPont|Dupont]] per la [[NASA|Nasa]].

La funzione principale dello stadio di discesa è di portare il LEM dall'orbita lunare alla superficie lunare. A questo scopo dispone di un propulsore chiamato DPS (Discending Propulsor System) con spinta modulabile e orientabile. La sua spinta massima era di circa 45 KN. La modulazione della [[spinta]] permetteva di ottimizzare la discesa per un allunaggio delicato: teniamo presente che il modulo, nelle fasi di allunaggio si era fortemente ridotto di massa dovuto ai consumi del propellente. I serbatoi dell'Idrazina e del perossido[[tetrossido d'azotodi diazoto]] erano in 4 serbatoi messi nei compartimenti quadrati situati ai 4 angoli della struttura. Il motore si trova nel compartimento quadrato centrale.

Il secondo ruolo dello stadio di discesa è di trasportare tutte le attrezzature e i materiali di consumo che possono essere abbandonati sulla Luna alla fine del soggiorno, cosa che permette di limitare il peso dello stadio di ascesa. I 4 compartimenti triangolari delimitati dalla struttura ottagonale contengono:

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Nonostante l'aggettivo "primario" nel suo nome, il PGNCS non è stato la principale fonte di informazioni sulla navigazione. I dati di monitoraggio della ''NASA's Deep Space Network'' sono stati elaborati dal computer Controllo Missione utilizzando algoritmi basati sui minimi quadrati. La posizione e la velocità ottenute stimate sono risultate più precise di quelle prodotte dal PGNCS. Come risultato, gli astronauti sono stati periodicamente aggiornati con i dati da inserire nel Sistema di Guida dell'Apollo (AGC) con dati ricavati a terra.

Il PGNCS è stato comunque essenziale per mantenere l'orientamento spaziale, per il controllo dei razzi durante le manovre, compresi l'atterraggio e il decollo lunare, e come prima fonte di dati di navigazione durante le interruzioni previste e impreviste nelle comunicazioni. Il PGNCS inoltre è fornito di un controllo a terraTerra dei dati. Il modulo lunare aveva un terzo mezzo di navigazione, denominato AGS, costruito da TRW e destinato ad essere utilizzato in caso di fallimento del PGNCS. L'AGS poteva essere utilizzato per il decollo dalla lunaLuna e per l'incontro con il modulo di comando, ma non per lo sbarco.

Il modulo lunare monta due sistemi che eseguono la navigazione (il calcolo della posizione e la traiettoria di definizione) e di governo (gestione del volo in conformità con il percorso scelto) del modulo lunare. Ogni sistema si basa su un computer: sono i computer di guida (LEM Guidance Computer, o LGC) e il sistema di emergenza (Abort Guidance System, o AGS). Quest'ultimo è applicato in caso di fallimento della LGC.

Il sistema LGC è un computer che esegue i calcoli in tempo reale. È [[multitasking]] (fino a 8 compiti in parallelo). La memoria usa parole di 16 bit: si compone di 64&nbsp;kB (32&nbsp;000 parole) di memoria ROM contenente tutti i programmi e 4&nbsp;kB (2&nbsp;000 parole) di RAM (cancellabile) utilizzata dal software. Entrambi i tipi di memoria sono costituiti da nuclei magnetici: i programmi in ROM venivano inseriti in fabbrica mediante un delicato lavoro di filatura dei conduttori nei nuclei bit per bit. Il processore si compone di circa 5&nbsp;000 circuiti logici realizzati totalmente con [[Porta_logicaPorta logica#NOR|porte logiche NOR]] a 3 ingressi su circuito integrato. Pesa circa 35&nbsp;kg.

Il sistema LGC riceve le sue principali informazioni del sistema inerziale (IMU) e dai due radar quando sono attivati. Utilizzando diversi programmi di navigazione dedicati per ogni fase della missione, è in grado di controllare direzione e spinta dei due motori principali e dei 16 motori di orientamento in modo che il LEM segua la rotta calcolata. Gli astronauti utilizzano un banco di comando (DSKY) per inserire altre istruzioni: inizio del programma di navigazione, inserimento (richieste) di informazioni, reinizializzazione della posizione, dati ricavati da osservazioni dei parametri di volo, ecc.

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Il [[sistema inerziale]] deve essere regolarmente ricalibrato effettuando un rilevamento della posizione del LEM nello spazio. A tal fine, gli astronauti dispongono di un telescopio ottico di allineamento (''Alignment Optical Telescop'' o AOT). Questo strumento consente di identificare le posizioni delle [[stella|stelle]] ed è [[Interfaccia (informatica)|interfacciato]] con il computer di bordo. Il telescopio può essere utilizzato in due modi differenti. Quando il LEM naviga libero, l'astronauta fissa una stella di riferimento nel computer: con i motori fa ruotare la navicella in modo che la stella passi di fronte al telescopio ottico [N 13]). La stella deve tagliare l'ascissa e l'ordinata di un reticolo che appare nell'ottica del telescopio. A quel punto gli astronauti dicono al computer, tramite due pulsanti sul bordo del telescopio, quando le due righe sono tagliate successivamente. Rilevando la posizione di 2 stelle, il computer è in grado di ricalcolare la posizione del LEM e se necessario rifare nuovamente il riferimento inerziale.

Quando il LEM non può ruotare liberamente - caso in cui è posato sulla lunaLuna o quando si è unito al modulo di comando - l'astronauta ruota il reticolo in modo da intersecare due linee di un reticolo dedicato nel telescopio; osserva in pratica un angolo e inserisce questa informazione nel computer.

Il modulo lunare prevede inoltre due [[radar]]:

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==== L'AGS: il sistema di navigazione di emergenza ====

L'AGS (''Abort Guidance System'') è un sistema di navigazione e di controllo destinato a sostituire il sistema principale (LGC) in caso di guasto di quest'ultimo durante le fasi di discesa sulla lunaLuna o di risalita. L'attivazione dell'AGS comporta l'interruzione della missione e l'abbandono del piano di discesa se il LEM è in fase di atterraggio. L'AGS è realizzato da una società diversa TRW (N 14). È composto da:

* Un computer (''Abort Electronics Assembly'', AEA) con una memoria RAM di 4&nbsp;kB e una memoria di 4&nbsp;kB dedicata ai programmi (con word di 18 bit). La memoria usa la stessa tecnologia dell'AGS;

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L'ECS è composto da 4 sottosistemi:

* ''Atmosphere Revitalization Section'' (ARS);: purifica l'ossigeno nella cabina e nelle tute spaziali, rimuovendo l'[[anidride carbonica]], gli odori, le impurità e l'eccesso di [[vapore acqueo]];

* ''Oxygen Supply and Cabin Pressure Control Section'' (OSCPCS);: si occupa di immagazzinare l'ossigeno gassoso e di mantenere la pressione nella cabina e nelle tute spaziali, fornendo l'ossigeno all'ARS per compensare il consumo metabolico dell'equipaggio e le perdite nelle cabine o nelle tute. Il serbatoio di ossigeno nello stadio di discesa fornisce l'ossigeno durante la discesa e il soggiorno sulla Luna; i due serbatoi nello stadio di ascesa sono utilizzati nella fase di risalita e di aggancio al CSM.;

* ''Water Management Section'' (WMS);: fornisce l'acqua da bere e per reidratare gli alimenti [[Liofilizzazione|liofilizzati]], quella per il raffreddamento, per il sistema antincendio e per il rifornimento dei serbatoi di acqua necessari al raffreddamento dei [[PLSS]]. Inoltre provvede al trasferimento dell'acqua dai separatori di acqua dell'ARS ai sublimatori dell'HTS.

Per ottenere la necessaria pressione di pompaggio nei serbatoi, questi sono pressurizzati prima del lancio. Il serbatoio situato nello stadio di discesa contiene la maggior parte delle forniture d'acqua necessaria alla missione, finito il soggiorno sulla Luna viene usata l'acqua contenuta in due serbatoi dello stadio di ascesa.

* ''Heat transport section'' (HTS);: si occupa del controllo termico che è allo stesso tempo attivo e passivo.

Il controllo termico attivo consiste in un [[Raffreddamento a liquido|circuito di raffreddamento]] nel quale circola una miscela di acqua e [[Glicol etilenico|glicole etilenico]] e attraversa le attrezzature generatrici di calore, situate all'interno ed all'esterno della cabina pressurizzata, per mantenerne la temperatura in un intervallo che permetta il loro funzionamento. Il calore è disperso in primo luogo grazie a radiatori, quello che rimane è eliminato tramite sublimazione di acqua in gas (si usa la [[sublimazione]] perché ci si trova nel vuoto). Un circuito di raffreddamento di emergenza permette di compensare una eventuale avaria al circuito principale.

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== Il ruolo del modulo lunare ==

[[File:Trajectoire-mission-Apollo-it.PNG|thumb|upright=1.8|Piano di volo della missione [[Apollo 15]]]]

Le missioni Apollo sono programmate perché il LEM atterri all'inizio del giorno lunare: gli astronauti beneficiano così di una luce radente per l'individuazione del punto di atterraggio (tra 10 e 15º sopra l'orizzonte, secondo le missioni) e di temperature relativamente moderate durante il soggiorno sulla Luna (il giorno lunare dura circa 28 giorni terrestri). Di conseguenza, per ogni luogo di atterraggio scelto, la finestra di lancio del razzo Saturn è ridotta a tre giorni per ogni mese. Il punto di atterraggio scelto si trova sempre sulla [[faccia visibile della Luna]] per permettere le comunicazioni radio con la [[Terra]] e non è mai troppo distante dall'[[equatore]] della Luna.

Ogni missione può essere suddivisa nelle seguenti fasi:

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Nel settembre del 1970 il programma Apollo subisce dei drastici tagli di bilancio che traducono le nuove priorità del governo Nixon: Apollo 11 è riuscito a captare il prestigio di cui beneficia appena ora il programma spaziale russo e la [[guerra del Vietnam]] svuota ormai le risorse di bilancio degli Stati Uniti. La NASA è costretta ad annullare le ultime due missioni Apollo progettate. L'ultimo modulo lunare atterra l'11 dicembre 1972 sulla Luna nel quadro della missione Apollo 17, che comprendeva per la prima volta uno scienziato: il geologo [[Harrison Schmitt]]. Gli altri tre LEM in costruzione negli stabilimenti della società Grumman restano incompiuti.

Il costo finale del Modulo Lunare Apollo supererà tutte le previsioni e alla fine del 1970, quando il programma è concluso, ammonterà a 2,2 miliardi di [[Dollaro|dollari]] dell'epoca (14,3 miliardi di dollari del [[2008]]) cioè il 13% del costo dell'intero programma Apollo. A titolo di raffronto, questa somma è quasi equivalente a 3 volte il bilancio dell'[[Agenzia Spaziale Europea]] nel [[2006]]; questa cifra non comprende lo sviluppo del sistema di orientamento e navigazione condivisa con il modulo di comando (3,8 miliardi di dollari del 2008), i costi di integrazione e quelli necessari per i test.

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* Il LEM “taxi„, un LEM che dispone di consumabili per permettere soggiorni di 14 giorni sulla Luna a un equipaggio di tre astronauti. Può essere inviato sulla Luna poco dopo che un LEM “riparo„ vi è stato lanciato.

* Il LEM “riparo„, utilizzato in modo combinato con il LEM “taxi„, che ha il suo stadio di ascesa sostituito da consumabili e materiale scientifico. Atterra sulla Luna in controllo automatico.

* Il LEM “Lab„, costituito dallo stadio di ascesa del LEM a cui sono stati sostituiti il motore e i serbatoi con circa 10 tonnellate di attrezzature scientifiche per osservazioni ed esperienze in orbita terrestre. Il LEM “Lab„ diventò gradualmente l'ATM (Apollo Telescope Mount), una struttura non pressurizzata adibita al trasporto in orbita terrestre di un telescopio per l'osservazione del Sole. Previsto inizialmente per essere messo in orbita da solo, è poi sviluppato come un modulo allegato della stazione [[Skylab]].

=== L'evoluzione del LEM: Altair ===

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* {{cita libro|autore=Patrick Moore|anno=1971|titolo=Atlante della conquista della Luna|città=Milano|editore=Vallardi}}

* {{cita libro|autore=Andrew Smith|titolo=Polvere di Luna. La storia degli uomini che sfidarono lo spazio|editore=Cairo Publishing|anno=2006|isbn=978-88-6052-032-6}}

* {{cita libro|autore=Giancarlo Masini|titolo=La grande avventura dello spazio: la conquista della luna|città=Novara|editore=Istituto Geografico De Agostini|SBN=IT\ICCU\RLZ\0324702RLZ0324702|anno=1969}}

* {{cita libro|cid=MOL|autore=Thomas J. Kelly|anno=2001|titolo=Moon lander : how we developed the Apollo Lunar Module|editore=Smithsonian Books 2001|lingua=en|isbn=1-58834-273-5}}